Drivteknik.nu

 

Hem / SKOLA / Skola - Motor / Stegmotor

PRINCIP - STEGMOTOR

källa: All Motion Technology AB

Stegmotorn har fått sitt namn av att den faktiskt tar ett “steg” i taget, även om detta steg vanligtvis är roterande. Den består liksom de flesta elmotorer av en stator, en rotor och två lagersköldar.

Statorn består oftast av stållaminat försedda med spår, i vilka ett antal kopparlindningar ligger. Enklare modeller har i stället ett antal spolar (billigare att linda).Rotorn kan bestå antingen av en järnkärna (variabel reluktans), en permanentmagnet (PM) eller en permanentmagnet inlagd i en solid eller laminerad järnkärna (hybrid).
1,8°-motorn har 50 tänder i rotorn och oftast 48 eller 50 tänder i statorn. De 50 rotortänderna innebär att rotorn får 4 distinkta lägen per tand. Den har fyra lindningar, som vid unipolär drivning strömsättes separat och vid bipolär drivning strömsättes med två lindningar serie- eller parallellkopplade
Variabel reluktansmotorn är relativt ovanlig medan PM-typen, som är enkel att tillverka och därför mycket billig, används flitigt. Den har låg effekt och relativt stora stegvinklar (större än 7,5°).
Hybridmotorer förekommer också ofta eftersom de lämpar sig för hög upplösning (200–500 helsteg per varv) och finns i många effektklasser upp till ca 3 kW. I industriella sammanhang är hybridmotorn helt dominerande.


1. Stegmotorsystem, inledning

Ett typiskt system baserat på en stegmotor, består av en motor och en drivenhet vilken innehåller en styrdel, ett effektsteg och en strömförsörjning. Styrdelen svarar för att varje motorfas förses med rätt ström nivå i rätt ögonblick och effektsteget matar strömmen som tas från en DC strömkälla. Drivenheten matas vanligen med pulser och en riktningssignal från en indexer eller något programmerbart styrsystem. Dessa genererar ett pulståg, där frekvensen bestämmer motorns hastighet och antalet pulser motorns position.

Stegmotorns fördelar:

• Den enda helt digitala motorn.
• Mycket enkel att styra från alla digitala system
• Enkel och kostnadseffektiv
• Inget ackumulerande vinkelfel
• Borstlös
• Underhållsfri
• Står helt still vid noll hastighet
• Mycket högt vridmoment
• Hållmoment i stillestånd
• Kan aldrig överbelastas mekaniskt
• Kräver ingen återkoppling
• Reverserbar
• Olika fabrikat mekaniskt kompatibla

Stegmotorns nackdelar

• Extremt känslig för yttre tröghetsmoment
• Ingen återkoppling av det verkliga mekaniska läget
• Känner ingen skillnad på olika belastning
• Kan kugga över och tappa position utan förvarning
• Klarar sällan varvtal över 1 500 rpm
• Begränsad dynamik
• Kan inte ge något extra startmoment
• Tappar moment i takt med ökande varvtal
• Har ett relativt högt ljud


2. Stegmotorteknologi

Stegmotorn omvandlar digitala pulser till en inkrementell rotation av motoraxeln. Antalet inkrement eller steg är proportionell mot de genererade pulserna och rotationshastigheten är en funktion av de inmatade pulsernas frekvens.
Dessa pulser alstras enkelt av mikroprocessorer, logikkretsar eller t.o.m. kontakter eller relä. Drivelektroniken fungerar som en ”fördelardosa”, varje puls omvandlas till en sekventiell ström i respektive motorlindning. Oftast gäller att en puls vrider motorn ett steg.

Vår enkla modell består av en rotor som är en permanentmagnet. Den har en Sydoch Nordpol och vrids i en stator med 4 poler. Runt varje statorpol finns en lindni av koppartråd. Antag att rotorn N1 och S1 magnetiseras vrids rotorn 90° och hamnar i läge 1b. Genom att rotera statorpolernas magnetfält, kommer rotorn att nå läge 1c och 1d. Dessa lägen är diskreta och stabila och motorn komm att ha en stegvis rotation.


Fig.1  Princip för en stegmotor

 




2.1 Stegmotorns uppbyggnad

Det finns i huvudsak 4 olika stegmotorkonstruktioner.

• Variabel Reluktans (VR)
• Permanet Magnet (PM)
• Hybrid (HY) 2, 3 och 5-fas
• Disc Magnet (DM)

Om inget annat anges antar vi att det gäller 2-fas stegmotorer.





2.1.1 Variabel reluktans

 

 

Den principiella uppbyggnaden framgår av figur 1.

Statorn består av laminerade isolerade stålplattor och i vårt fall formade till sex poler A, A´, B, B´, C och C´ enl. fig.2. Koppartråd är lindad runt varje pol.Statorn är placerad i ett hölje som håller paketet på plats. Rotorn är gjord av mjukjärn och är försedd med ett antal tänder. Motoraxeln är fäst vid rotorn och lagrad i båda ändar. Genom att skicka ström genom lindningen kommer statorpolen att magnetiseras. Närmaste rotortand attraheras till statorpolen. Om strömmen genom den första polen upphör och nästa statorpol magnetiseras, kommer rotorn att vridas ett steg. För att reversera motorn, körs sekvensen för respektive pol åt andra hållet. VR motorn kan uppnå hög hastighet men med ganska lågt moment.

Denna motortyp används mycket sällan idag.

Fig.2 Variabel reluktansmotor




2.1.2 Permanent Magnet


PM motorn har till skillnad från VR motorn, en rotor utan tänder men med integrerad permanent magnet.Observera från fig. 3 hur magneten är placerad.Statorn består av två plåthalvor av stål med utstansade tänder som böjts upp runt rotorn. Se fig.4. Motorn kallas Tin Can motor (”konservburks” motor). Runt tänderna i vardera halva, sitter en rund spole med koppartråd.Precis som tidigare kommer rotorn att flyttas ett steg, när spolarna magnetiseras. Den enkla motorn i fig.3 har tre syd- och tre nordpoler i rotorn. Stegvinkeln blir 30°. Genom att ha en än mer mångpolig magnet, kommer stegvinkeln att lämpar sig för måttliga hastigheter, har högt moment och en god dämpning. Kommersiellt tillverkas denna motor i stora antal. Vanliga diametrar är 10, 15, 20, 25, 36, 42 och 57 mm med stegvinklar mellan 7,5-18°.

Fig. 3 Principen för PM stegmotor

PM motorn används i bläckstråleskrivare, datorer, luftkonditionering m.m. Priset ligger på endast 2-8$ vid stora volymer och nästan all tillverkning sker i Asien.












Fig.4 PM stegmotor uppbyggnad




2.1.3  Hybrid Stegmotor 2-fas

Precis som namnet antyder, är hybrid motorn en kombination av flera egenskaper. Den förenar VR motorns höga hastighet med PM motorn styrka och dämpning.












........Fig. 5 Hybridmotorn uppbyggnad ..................................................................................................Fig. 6 Stator

 


Hybridmotorer är enkelt uppbyggd av endast 5 huvudkomponenter. Den består vanligen av 8 st statorpoler, som är försedda med tänder. Runt varje statorpol finns 2 lindningar, vilket gör att polen, beroende på strömmens riktning, antingen kan bli syd- eller nordpol.


Fig. 7 Rotorns uppbyggnad hos en hybridstegmotor


Rotorn består av 2 laminerade kugghjulsliknande halvor. Inuti sitter en permanentmagnet vanligen av Neodym. De bägge halvorna är vridna, så att tänderna på ena sidan passar försänkningarna på den andra. Se fig.7! Ena halvan blir således nord- och den andra sydpol. Vanligen har rotorn 50 tänder.


Fig. 8. Hybridstegmotorns stegförlopp



I läge 1 befinner sig Rotorns Sydpol mitt för Stator 1 och 5 (motstående i fig. 6) som nu är magnetiserad som Nordpol. Stator 3 och 7 är Sydpol och hamnar mitt för Rotorns Nordpol.

I läge 2 har vi flyttat magnetfältet i Statorn genom att magnetisera Polerna 2+6 samt 4+8. Rotorn flyttar sig ½ tand vilket i detta fall motsvarar 1,8°. Genom att rotera magnetfältet i statorn kommer rotorn att stegvis finna ett antal diskreta stabila lägen.

Stegvinkeln blir 360° / z / f / p

z= antalet tänder =50
p= antal rotor poler =2
f= antalet faser =2

d.v.s. 1.8° eller 200 steg.

Hybridmotorn finns i ett antal standardiserade storlekar med s.k. Nema fläns. De flesta mått är ursprungligen i tum. Moderna hybridmotorer är inte runda utan kvadratiska. Vanliga flänsmått är 35, 39, 42, 56, 86 och 110 mm. Stegvinkeln är nästan alltid 1,8° men även 3,6 och 0,9° förekommer.

Varje storlek finns oftast i 2-4 olika längder.

Hybridmotorn tillverkas i stora antal och priset ligger då på 5-20$ för 35-56 mm stegmotorer. 86 och 110 mm stegmotorer används i mycket mindre antal. Viss tillverkning sker i USA och Europa, men det mesta sker i Asien och då främst Kina.

Typiska användningsområden är printrar, medicinska analysinstrument, radiobasstationer, industriautomation etc.




2.1.4 Hybridstegmotor 5-fas

Under 1970-talet fick tyska Berger Lahr patent på en 5-fas stegmotor som var överlägsen alla dåtidens 2- fas motor system. Motorn var starkare, inte behäftad med resonansproblem och hade en stegvinkel på endast 0,72° (anm. 500 steg och en kulskruv med 5 mm stigning gav 0,01 mm i upplösning). 1992 upphörde patentet. Berger Lahr, Oriental Motors och Sanyo Denki tillverkar fortfarande 5-fas motorer i större omfattning.

Tack vara bättre drivelektronik har 2 fas stegmotorn idag nästan samma prestanda, men till en mycket lägre kostnad.

Det finns dock ett antal tillämpningar för mätinstrument eller medicinteknik, där 5-fas motorns mycket mjuka och nästan resonansfria gång är helt nödvändig. Nackdelen är att antalet transistorer i drivsteget blir 10 eller 20 st vilket gör totallösningen dyr.

Betrakta följande s.k. vektordiagram (se vidare under kapitel 5). Varje vektor representerar momentet från resp. fas. Om man adderar –M4 , +M5 , +M1 och +M2, får man en totalvektor av 4 faser. Denna vektor representerar momentet med längden A. Den 5:e fasen, –M3 , ger vid B summan av alla 5 faser. Men tillskottet är endast 4-5% ! Därför kan man driva motorn med 4 faser och låta den 5:e verka bromsande. Detta ger en mycket jämn gång med en naturligt högre stegupplösning (0,72° istället för 1,8°).


Fig. 9. 5-fas stegmotorns vektordiagram av fasernas inverkan.




2.1.4 Hybridstegmotor 3-fas

3 fas stegmotorn är en nyare variant av hybridstegmotorer från vissa tillverkare. Tidigare
fanns endast några japanska och tyska tillverkare av 3-fas stegmotorer. Numera finns även
amt STEP-line i 3-fas utförande och med tillverkning i Kina har priserna nästan halverats.

3-fas stegmotorn har en rad fördelar

• Kräver endast 6 transistorer i drivsteget och kan använda samma drivmoduler som servomotorer eller omriktare.
• Har 1,2° stegvinkel (300 steg)
• Kan köras nästan ljudlöst
• Har betydligt jämnare gång än 2-fas stegmotorn men når inte riktigt 5-fas motorn.

Tack vare att 2-fas stegmotorn tillverkas i många miljoner svarar den för 95% av antalet
hybridstegmotorer. Men 3-fas stegmotorn kommer i framtiden att bli mer och mer utbredd.




2.1.5 Jämförelse mellan hybridstegmotor 2, 3 och 5-fas



Fig.10. Inkoppling av 2, 3, och 5-fas stegmotorer (Sanyo Denki)



Antal faser 2 3 5
Stegvinkel 1,8° 1,2° 0,72°
Drivsätt Unipolär Bipolär Bipolär Bipolär
Antal transistorer 4 8 6 10
Kopplingstyp Bifilär Monofilär Y-koppling Pentagon
Antal statorpoler 8 12 10
Antal anslutningsledare 6 4 3 5
Momentförhållande
(TG/TH)
0,707 0,707 0,866 0,951

Fig.11. Olika parametrar för 2, 3, och 5-fas stegmotorer


Hållmoment (TH) - Max moment (TG) = Moment rippel

TG (2-fas) = 0,707xTH
TG (3-fas) = 0,866xTH
TG (5-fas) = 0,951xTH

Det är mycket viktigt att välja rätt motortyp, för applikationer som kräver låga vibrationer och hastighetsvariationer.


Fig.12 Momentrippel med 2, 3 och 5-fas hybridstegmotorer



Dynamisk karakteristik. Samma ström i alla F/T grafer


Fig.13 Dynamisk karaktäristik




Fig. 14. Fördelen med 3 och 5-fas stegmotorer jämfört med 2-fas.


Som framgår av fig. 10-14 har 5-fas stegmotorn klart bäst prestanda. Tittar man på prisbilden och även ljudnivån är 3-fas stegmotorn den mest ideala stegmotorn.



2.1.6 Disc Magnet

Portescap i Schweiz tillverkar en stegmotor som skiljer sig från alla andra. Den största skillnaden är att den är axiellt magnetiserad.


Fig.15 Disc Magnet stegmotor

 

 

 
 

Copyright © Drivteknik.nu 2007-2020. All rights reserved